RU175126U1

RU175126U1 - SYSTEM OF REGULATION OF SPEED OF ELECTRIC DRIVED GAS PUMPING UNIT OF COMPRESSOR STATION OF THE MAIN GAS PIPELINE

Info

Publication number: RU175126U1
Application number: RU2016122417U
Authority: RU
Inventors: Ирина Енальевна Рубцова; Дмитрий Геннадьевич Садиков; Владимир Георгиевич Титов
Original assignee: Акционерное общество "Гипрогазцентр"
Priority date: 2016-06-06
Filing date: 2016-06-06
Publication date: 2017-11-21

Abstract

Система регулирования скорости электроприводного газоперекачивающего агрегата (ЭГПА) компрессорной станции магистрального газопровода относится к области транспорта газа по магистральным газопроводам и может быть использована на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов, дожимных компрессорных станциях, подземных хранилищах газа.Система включает в себя преобразователь частоты, электродвигатель, систему автоматического управления и набор датчиков и исполнительных механизмов. Причем преобразователь частоты построен по многоуровневой топологии, электродвигатель является высокоскоростным асинхронным, в общецеховую систему управления КС интегрирована система управления преобразователем, которая преобразует входной управляющий сигнал в сигналы управления ячейками многоуровневого инвертора. Система автоматического управления формирует управляющие сигналы ячейками многоуровневого преобразователя частоты, обеспечивая стабильную работу ЭГПА с максимальным КПД в условиях изменяющейся производительности газопровода, а также в результате действия внешних возмущающих воздействий.Технический эффект от плавного регулирования скорости электродвигателя газоперекачивающего агрегата заключается в повышении КПД системы, уменьшении износа энергетического и технологического оборудования и повышении надежности работы компрессорного цеха.The speed control system of an electric drive gas pumping unit (EGPA) of a compressor station of a main gas pipeline belongs to the field of gas transport through main gas pipelines and can be used at compressor stations (CS) of main gas pipelines, booster compressor stations, underground gas storages. The system includes a frequency converter, an electric motor , an automatic control system and a set of sensors and actuators. Moreover, the frequency converter is built according to a multi-level topology, the electric motor is a high-speed asynchronous, a converter control system that converts the input control signal into control signals of the cells of a multi-level inverter is integrated into the general workshop control system KS. The automatic control system generates control signals by the cells of a multi-level frequency converter, ensuring the stable operation of the EGPA with maximum efficiency in the conditions of changing gas pipeline productivity, as well as as a result of external disturbing effects. The technical effect of smoothly controlling the speed of the gas pumping unit electric motor is to increase the efficiency of the system and reduce wear energy and technological equipment and improving the reliability of compress molecular plant.

Description

Полезная модель относится к области транспорта газа по магистральным газопроводам и может быть использована на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов, дожимных компрессорных станциях, подземных хранилищах газа.The utility model relates to the field of gas transport through gas pipelines and can be used at compressor stations (CS) of gas pipelines, booster compressor stations, underground gas storages.

Из уровня техники известны устройства регулируемого электропривода газоперекачивающего агрегата (патент РФ № 143147, опубл. 20.07.2014; патент РФ № 145058, опубл. 10.09.2014), содержащие газоперекачивающий агрегат, электропривод по системе преобразователь частоты - двигатель, ПИ-регулятор, сумматор, датчик выходного давления газа, датчики измерения внешних воздействий (температуры и влажности воздуха, производительности и температуры газа) и блок расчета необходимой скорости вращения нагнетателя.The prior art devices for a variable electric drive of a gas-pumping unit (RF patent No. 143147, publ. 07/20/2014; RF patent No. 145058, publ. 09/10/2014) containing a gas-pumping unit, an electric drive according to a frequency converter-motor system, a PI controller, an adder , a gas outlet pressure sensor, sensors for measuring external influences (temperature and humidity, air capacity and gas temperature) and a unit for calculating the required rotation speed of the supercharger.

Прототипом данной полезной модели является система управления компрессорной станцией магистрального газопровода (патент РФ № 128917, опубл. 10.05.2013), содержащая два газоперекачивающих агрегата и предназначенная для обеспечения транспортировки природного газа по магистральному газопроводу. Система включает два преобразователя частоты и датчики скорости вращения валов газоперекачивающих агрегатов, автоматизированное рабочее место диспетчера, оснащенное программируемым логическим контроллером, модули ввода которого соединены с датчиками скорости вращения валов газоперекачивающих агрегатов, а соответствующие модули вывода программируемого логического контроллера подключены к соответствующим входам преобразователей частоты, выходы которых предназначены для подключения к соответствующим электроприводам газоперекачивающих агрегатов. Программируемый логический контроллер снабжен программным обеспечением для реализации равномерного распределения нагрузки между электроприводами газоперекачивающих агрегатов в зависимости от перекачиваемых объемов природного газа.The prototype of this utility model is the control system of the compressor station of the main gas pipeline (RF patent No. 128917, publ. 05/10/2013), containing two gas pumping units and designed to ensure the transportation of natural gas through the main gas pipeline. The system includes two frequency converters and speed sensors for the rotation of the shafts of gas pumping units, an automated workstation for the dispatcher equipped with a programmable logic controller, the input modules of which are connected to the speed sensors of the shafts of the gas pumping units, and the corresponding output modules of the programmable logic controller are connected to the corresponding inputs of the frequency converters, outputs which are intended for connection to the corresponding gas transmission electric drives ivayuschih units. The programmable logic controller is equipped with software for the implementation of a uniform load distribution between the electric drives of gas pumping units, depending on the pumped volumes of natural gas.

Указанные системы приведенных аналогов и прототипа не обеспечивают энергоэффективные режимы работы электроприводных газоперекачивающих агрегатов, минимизацию потребления электроэнергии, уменьшение негативного влияния на качество питающей сети, что приводит к увеличению себестоимости перекачки природного газа и ухудшению параметров качества электрической энергии питающей сети.The indicated systems of the above analogues and prototype do not provide energy-efficient modes of operation of electric gas pumping units, minimizing energy consumption, reducing the negative impact on the quality of the supply network, which leads to an increase in the cost of pumping natural gas and the deterioration of the quality parameters of the electric energy of the supply network.

В основу данной полезной модели ставится задача разработки энергоэффективной системы регулирования скорости вращения электроприводных газоперекачивающих агрегатов, позволяющей минимизировать энергопотребление компрессорного цеха и улучшить параметры питающей сети без применения дополнительных элементов (сетевых фильтров). При этом обеспечивается поддержание давления природного газа и перекачиваемого объема на заданном уровне для обеспечения необходимых условий технологического процесса и осуществляется равномерное распределение объема перекачиваемого природного газа между работающими агрегатами.The basis of this utility model is the task of developing an energy-efficient system for controlling the speed of rotation of electric gas pumping units, which allows minimizing the energy consumption of the compressor shop and improving the supply network without the use of additional elements (network filters). At the same time, the pressure of the natural gas and the pumped volume is maintained at a given level to ensure the necessary process conditions and the distribution of the volume of pumped natural gas between the operating units is uniform.

Технический эффект от плавного регулирования скорости электродвигателя газоперекачивающего агрегата заключается в повышении КПД системы, уменьшении износа энергетического и технологического оборудования и повышении надежности работы компрессорного цехаThe technical effect of smoothly controlling the speed of the electric motor of the gas pumping unit is to increase the efficiency of the system, reduce the wear of power and technological equipment and increase the reliability of the compressor shop

Задача решается тем, что в составе системы регулирования скорости электроприводного газоперекачивающего агрегата компрессорной станции магистрального газопровода, содержащей преобразователь частоты, электродвигатель, систему автоматического управления, на вход которой подаются сигналы с выходов датчиков скорости, давления и объема перекачиваемого природного газа и сигналы задания давления и объема перекачки, а выход формирует сигнал задания скорости вращения, который поступает на сумматор и сравнивается с выходным сигналом датчика текущей скорости вращения нагнетателя, выход сумматора подключается к входу ПИ-регулятора скорости, при этом преобразователь частоты построен по схеме каскадного многоуровневого инвертора напряжения, используется высокоскоростной асинхронный электродвигатель, в систему включен блок формирования управляющих импульсов, вход которого подключен к выходу регулятора скорости, а на выходе присутствуют сигналы управления ячейками многоуровневого преобразователя частоты в соответствии с реализуемым алгоритмом.The problem is solved in that, as part of the speed control system of the electric gas pumping unit of the compressor station of the main gas pipeline, containing a frequency converter, an electric motor, an automatic control system, to the input of which there are signals from the outputs of the speed, pressure and volume sensors of the pumped natural gas and pressure and volume setting signals pumping, and the output generates a signal for setting the rotation speed, which is fed to the adder and compared with the output signal of the sensor and the current speed of the supercharger, the output of the adder is connected to the input of the PI speed controller, while the frequency converter is built according to the cascade multi-level voltage inverter, a high-speed asynchronous electric motor is used, the control pulse generation unit is included in the system, the input of which is connected to the speed controller output, and the output contains control signals of the cells of a multilevel frequency converter in accordance with the implemented algorithm.

При этом преобразователь частоты электрически соединен с электродвигателем, а электродвигатель соединен с нагнетателем природного газа механической связью.In this case, the frequency converter is electrically connected to the electric motor, and the electric motor is connected to the natural gas supercharger by mechanical coupling.

Система автоматического управления агрегата оснащена специализированным программным обеспечением, позволяющим передавать информацию о загрузке агрегата в систему верхнего уровня компрессорного цеха (САУ КЦ) для принятия решения об оптимальной загрузке каждого работающего агрегата и формирования соответствующего сигнала управления. Такая структура построения системы позволяет обеспечить заданные режимы работы компрессорной станции.The automatic control system of the unit is equipped with specialized software that allows you to transfer information about the loading of the unit to the upper level system of the compressor shop (ACS KC) to decide on the optimal load of each working unit and the formation of the corresponding control signal. This structure of the system allows to provide the specified operating modes of the compressor station.

Описание полезной модели поясняется чертежом, на котором показана предлагаемая система управления электроприводным газоперекачивающим агрегатом в составе компрессорного цеха. Предлагаемая система состоит из следующих блоков: силовая питающая сеть 1, каскадный многоуровневый преобразователь частоты 2, высокоскоростной асинхронный электродвигатель 3, центробежный нагнетатель газоперекачивающего агрегата 4, внешние возмущающие воздействия 5, датчик давления газа на выходе 6, датчик объема перекачиваемого газа 7, датчик скорости вращения вала электродвигателя и центробежного нагнетателя 8, блок формирования сигнала задания скорости 9, сигнал задания требуемого давления газа на выходе 10, сигнал задания требуемого объема перекачиваемого газа 11, сумматор 12, ПИ-регулятор скорости 13, блок формирования управляющих импульсов силовыми ключами в ячейках многоуровневого инвертора напряжения 14. Преобразователь частоты построен по схеме многоуровневого инвертора напряжения с входным многообмоточным трансформатором и несколькими последовательно соединенными силовыми ячейками в каждой фазе выходного напряжения. Электродвигатель асинхронный, высокоскоростной, высоковольтный. Внешняя цеховая система автоматического управления компрессорного цеха вырабатывает сигналы задания по регулируемым технологическим параметрам - давлению газа на выходе нагнетателя и объемной производительности компрессора. Эти сигналы поступают на вход агрегатной системы автоматического управления, которая реализует заданный алгоритм работы системы.The description of the utility model is illustrated by the drawing, which shows the proposed control system of the electric gas pumping unit as part of the compressor shop. The proposed system consists of the following units: power supply network 1, cascaded multilevel frequency converter 2, high-speed asynchronous electric motor 3, centrifugal supercharger of the gas pumping unit 4, external disturbing influences 5, gas pressure sensor at the outlet 6, pumped gas volume sensor 7, rotation speed sensor shaft of the electric motor and centrifugal supercharger 8, the unit for generating the signal for setting the speed 9, the signal for setting the required gas pressure at the output 10, the signal for setting the required the volume of pumped gas 11, adder 12, PI speed controller 13, a control pulse generation unit with power switches in the cells of a multi-level voltage inverter 14. The frequency converter is constructed according to a multi-level voltage inverter with an input multi-winding transformer and several power cells in series in each phase of the output voltage . Asynchronous electric motor, high speed, high voltage. The external workshop automatic control system of the compressor workshop generates reference signals for adjustable technological parameters - gas pressure at the outlet of the supercharger and volumetric capacity of the compressor. These signals are fed to the input of the aggregate automatic control system, which implements a predetermined algorithm of the system.

Система работает следующим образом: напряжение питающей сети 1 подается на преобразователь частоты 2, который осуществляет регулирование числа оборотов электродвигателя 3 и центробежного нагнетателя газоперекачивающего агрегата 4, на который воздействуют внешние возмущения 5. Процесс транспортировки газа сопровождается изменением производительности и давления в магистральном газопроводе под действием внешних возмущений. Давление газа на выходе и объем перекачиваемого газа измеряются соответствующими датчиками 6, 7. Сигналы с выходов датчиков 6, 7 сравниваются с сигналами задания 10, 11 и поступают на входы блока формирования сигнала задания скорости 9, который реализует сигнал задания необходимой на текущий момент скорости вращения агрегата. Далее сигнал задания скорости поступает на сумматор 12, где сравнивается с текущим значением скорости вращения агрегата, измеренного датчиком скорости 8. Результирующий сигнал с сумматора 12 поступает на ПИ-регулятор скорости 13, выход которого соединен с блоком формирования управляющих импульсов 14. Блок 14 в соответствии с заданным алгоритмом формирует управляющие импульсы, которые подаются на силовые ключи ячеек каскадного многоуровневого инвертора напряжения в составе преобразователя частоты 2.The system works as follows: the voltage of the supply network 1 is supplied to the frequency converter 2, which controls the speed of the electric motor 3 and the centrifugal supercharger of the gas pumping unit 4, which is affected by external disturbances 5. The gas transportation process is accompanied by a change in productivity and pressure in the main gas pipeline under the action of external disturbances. The gas pressure at the outlet and the volume of pumped gas are measured by the corresponding sensors 6, 7. The signals from the outputs of the sensors 6, 7 are compared with the reference signals 10, 11 and fed to the inputs of the signal conditioning unit 9, which implements the reference signal for the current rotation speed unit. Next, the speed reference signal is supplied to the adder 12, where it is compared with the current value of the unit rotation speed measured by the speed sensor 8. The resulting signal from the adder 12 is fed to the PI speed controller 13, the output of which is connected to the control pulse generation unit 14. Block 14, in accordance with with a given algorithm generates control pulses that are applied to the power switches of the cells of the cascade multi-level voltage inverter as part of the frequency converter 2.

Задача минимизации потребления электроэнергии и искажения параметров питающей сети решается использованием высокоскоростного асинхронного электродвигателя, преобразователя частоты, построенного по каскадной многоуровневой схеме, а также применением специализированного алгоритма управления, реализуемого в блоке формирования управляющих импульсов. За счет этого осуществляется плавное, без скачков, регулирование числа оборотов центробежного нагнетателя 4, что позволяет снизить износ технологического оборудования и обеспечивает требуемые параметры технологического процесса.The task of minimizing energy consumption and distorting the parameters of the supply network is solved by using a high-speed asynchronous electric motor, a frequency converter built according to a cascade multi-level scheme, as well as using a specialized control algorithm implemented in the control pulse generation unit. Due to this, there is a smooth, without jumps, regulation of the number of revolutions of the centrifugal supercharger 4, which allows to reduce the wear of technological equipment and provides the required process parameters.

Проведенное компьютерное моделирование рассматриваемой системы показало увеличение КПД в диапазоне регулирования скорости вращения (50-100)% на (0,29-1,15)%, что подтверждает заявленный технический результат.Computer simulation of the system under consideration showed an increase in efficiency in the range of rotation speed control (50-100)% by (0.29-1.15)%, which confirms the claimed technical result.

Claims

A speed control system for an electric drive gas pumping unit of a main gas pipeline compressor station, comprising a frequency converter, an electric motor, an automatic control system, to the input of which there are signals from the outputs of the speed, pressure and volume sensors of the pumped natural gas and pressure and volume pump signals, and the output generates a task signal rotation speed, which is fed to the adder and compared with the output signal of the sensor of the current rotation speed The output of the adder is connected to the input of the PI speed controller, characterized in that the frequency converter is built according to the cascade multi-level voltage inverter, a high-speed asynchronous electric motor is used, the control pulse generation unit is included in the system, the input of which is connected to the output of the PI speed controller, and the output contains control signals of the cells of a multilevel frequency converter in accordance with the implemented algorithm.